无线传感器网络是一种全新的信息获取、处理和传输技术，集传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术以及分布式信息处理技术于一体。它可被应用到军事战场、环境监测、医疗、智能家居、农业以及交通等领域，具有广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。路由协议是无线传感器网络的关键技术之一，其中层次路由协议是路由协议研究领域的一个热点问题。 本文介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、特点、网络协议栈、关键技术及应用领域；分析了无线传感器网络路由协议的分类和性能指标；分析和比较了几种有代表性的路由协议；研究了节点自定位技术、密钥管理方案以及安全路由问题。本文选择层次路由协议LEACH作为研究和改进的对象，分析其存在的问题以及面临的路由攻击，并在此基础上提出了两种改进算法：MCBED算法和safe-LEACH算法。 MCBED算法对LEACH进行了如下改进：改进了簇头的选举方法，优化分簇；建立多路径簇头链，选举替补簇头，提高数据传输的可靠性以及均衡簇头能量消耗；充分考虑节点自身的剩余能量，避免过度使用某节点，导致某节点快速死亡；动态分簇与固定分簇相结合，减少了周期性全网范围内重新选举簇头的次数，节省了大量能量，有利于延长网络生存时间；给出具体的数据融合方法，解决原算法仅强调数据融合的重要性却没有给出具体的数据融合方法的不足。本文给出了MCBED基于TinyOS平台的算法设计及仿真实验。仿真结果表明：MCBED算法显著延长了网络生命周期。 safe-LEACH算法力图解决LEACH算法没有把路由安全作为路由设计目标这一问题。本文分析了路由安全问题，研究了LEACH容易受到的几种攻击形式，在LEACH以及MCBED的基础上提出一种以增强路由安全为主要目标的算法：safe-LEACH算法。safe-LEACH算法利用节点间“实际距离”代替“跳数”，结合节点自定位技术，采取有效的密钥管理模型，提出了三重安全机制，形成了随机动态多路径簇头链。本文给出了safe-LEACH算法基于TinyOS平台的设计方案及仿真实验。仿真结果及安全性能分析表明： safe-LEACH算法增强了路由安全，能够有效抵御恶意节点发起的Sybil攻击、选择性转发攻击以及HELLO泛洪攻击；其网络生命周期与LEACH相比略有延长，但与MCBED相比有所缩短。 本文还研究了无线传感器网络在环境监测中的应用，设计了一个应用案例，用于监测校园内实验室的环境变量，并将监测数据发送给sink节点。